本發(fā)明屬于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，具體涉及一種用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的鉗端柔性手術(shù)器械及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、為了克服常規(guī)腹腔鏡手術(shù)存在的諸多問題，擴(kuò)大微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用范圍，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人孕育而生。世界各國的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和科技企業(yè)正紛紛承擔(dān)高額成本，致力于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的開發(fā)工作，推動(dòng)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步和日益廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前進(jìn)入臨床應(yīng)用的商業(yè)化微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)總成本相當(dāng)昂貴，例如，將一臺(tái)davinci微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)引入到中國需要超過2000萬元的人民幣，并且需要每年支付高達(dá)140萬元人民幣的維護(hù)費(fèi)用，造成該系統(tǒng)無法大面積推廣及應(yīng)用。同時(shí)，由于所使用的手術(shù)器械僅有10次的使用壽命，導(dǎo)致每次手術(shù)的成本非常昂貴，因此絕大多數(shù)普通家庭難以負(fù)擔(dān)這樣高昂的手術(shù)成本，這種情況致使微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用難以得到普及，僅使之成為少數(shù)患者的可行選擇。

2、針對(duì)上述情況，我國積極開展微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的相關(guān)研究并進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，但截至目前，我國對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)主要在多孔微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域，發(fā)展趨勢(shì)十分迅猛，已經(jīng)取得了不小的成績；而在單孔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究仍處于起步階段。單孔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人因其具備手術(shù)創(chuàng)口少、創(chuàng)口面積小、操作疲勞感低、可進(jìn)行更加精細(xì)和術(shù)式更加復(fù)雜的手術(shù)操作等優(yōu)點(diǎn)，成為醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)很重要的研究方向。隨著人口老齡化和醫(yī)療需求的增加，醫(yī)療機(jī)器人市場(chǎng)正變得越來越重要。通過自主開發(fā)一款既輕便靈活又集成度高、安全系數(shù)強(qiáng)的單孔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，既能激勵(lì)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新及其在實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用，又能助力我國在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速且持續(xù)的進(jìn)步。同時(shí)，這也有助于改善人們的生活水平，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來更多的好處。

3、公開號(hào)為cn102028548a的中國專利公開了一種腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人用夾鉗式手術(shù)器械。該手術(shù)器械主要與接口底座連接在一起，通過接口底座上的四個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)手術(shù)器械上的操作管傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、左指傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、右指傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過左指前驅(qū)動(dòng)鋼絲、左指后驅(qū)動(dòng)鋼絲、右指前驅(qū)動(dòng)鋼絲、右指后驅(qū)動(dòng)鋼絲、腕關(guān)節(jié)前驅(qū)動(dòng)鋼絲和腕關(guān)節(jié)后驅(qū)動(dòng)鋼絲使得末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的腕關(guān)節(jié)、左指和右指實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。該手術(shù)器械存在的缺點(diǎn)是：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體占用空間較大，同時(shí)還存在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。另外，該手術(shù)器械采用傳動(dòng)軸繞線(鋼絲)方式實(shí)現(xiàn)鉗端偏擺開合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過齒輪補(bǔ)償鋼絲偏擺運(yùn)動(dòng)，存在鋼絲繞線復(fù)雜、傳動(dòng)干涉的問題，并且手術(shù)器械鉗端可偏擺程度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的鉗端柔性手術(shù)器械及其控制方法，以解決現(xiàn)有微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人用的手術(shù)器械存在的鋼絲繞線復(fù)雜、傳動(dòng)干涉以及鉗端可偏擺程度低的問題。本發(fā)明通過對(duì)柔性手術(shù)器械功能進(jìn)行分區(qū)進(jìn)而規(guī)劃電機(jī)排布，大幅度節(jié)省電機(jī)倉占用空間，同時(shí)針對(duì)轉(zhuǎn)向滑輪進(jìn)行梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸傳動(dòng)不干涉，并通過微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人控制柔性手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)的方法解決鋼絲偏擺問題。

2、本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供的一種用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的鉗端柔性手術(shù)器械，包括：鉗端柔性機(jī)構(gòu)和鉗端柔性機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)，所述鉗端柔性機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)包括：鉗端左開合控制機(jī)構(gòu)、鉗端右開合控制機(jī)構(gòu)、鉗端上偏擺控制機(jī)構(gòu)、鉗端下偏擺控制機(jī)構(gòu)和鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)；所述鉗端左開合控制機(jī)構(gòu)、鉗端右開合控制機(jī)構(gòu)、鉗端上偏擺控制機(jī)構(gòu)、鉗端下偏擺控制機(jī)構(gòu)和鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)分別與所述鉗端柔性機(jī)構(gòu)相連，通過鉗端左開合控制機(jī)構(gòu)、鉗端右開合控制機(jī)構(gòu)、鉗端上偏擺控制機(jī)構(gòu)、鉗端下偏擺控制機(jī)構(gòu)和鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)分別控制所述鉗端柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行左開合運(yùn)動(dòng)、右開合運(yùn)動(dòng)、上偏擺運(yùn)動(dòng)、下偏擺運(yùn)動(dòng)和360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4、進(jìn)一步的，所述鉗端柔性機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)還包括：鉗端剛性連接外管和鉗端剛性連接內(nèi)管，鉗端剛性連接內(nèi)管位于鉗端剛性連接外管內(nèi)部；所述鉗端剛性連接內(nèi)管分別與鉗端柔性機(jī)構(gòu)和鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)相連。

5、進(jìn)一步的，所述鉗端柔性機(jī)構(gòu)包括：鉗端左開合鉗、鉗端右開合鉗、開合鉗固定座、開合鉗固定銷、鉗端上擺轉(zhuǎn)向滑輪、鉗端下擺轉(zhuǎn)向滑輪、鉗端開合座固定銷、鉗端柔性連接座、鉗端柔性十字偏擺銷、鉗端柔性連接座固定銷、連接頭、鉗端柔性內(nèi)管和鉗端柔性外管；所述鉗端柔性連接座的數(shù)量為多個(gè)，多個(gè)鉗端柔性連接座依次通過鉗端柔性連接座固定銷相連組成鉗端柔性外管；鉗端柔性外管后端與鉗端剛性連接外管前端相連，鉗端柔性外管前端與連接頭一端相連；鉗端柔性內(nèi)管后端與鉗端剛性連接內(nèi)管相連；鉗端柔性十字偏擺銷的數(shù)量為多個(gè)，鉗端柔性十字偏擺銷與鉗端柔性連接座數(shù)量相同，鉗端柔性十字偏擺銷外圈固定在鉗端柔性連接座內(nèi)壁上，鉗端柔性十字偏擺銷內(nèi)圈套裝在鉗端柔性內(nèi)管上；開合鉗固定座后端通過鉗端開合座固定銷與鉗端柔性內(nèi)管相連，開合鉗固定座前端通過開合鉗固定銷與鉗端左開合鉗和鉗端右開合鉗相連；鉗端左開合鉗和鉗端右開合鉗的相對(duì)立面上均設(shè)有鋸齒形配合結(jié)構(gòu)；鉗端上擺轉(zhuǎn)向滑輪和鉗端下擺轉(zhuǎn)向滑輪均通過銷軸固定在開合鉗固定座內(nèi)部。

6、進(jìn)一步的，所述鉗端左開合控制機(jī)構(gòu)包括：鉗端左開合控制電機(jī)、鉗端左開合控制電機(jī)連接下座、鉗端左開合控制電機(jī)連接上座、鉗端左開合傳動(dòng)軸纏繞軸、鉗端左開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪、第一傳動(dòng)軸和鉗端開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪固定座；鉗端左開合控制電機(jī)連接下座與鉗端左開合控制電機(jī)連接上座固定相連，鉗端左開合控制電機(jī)的輸出端固定在鉗端左開合控制電機(jī)連接下座上，鉗端左開合傳動(dòng)軸纏繞軸固定在鉗端左開合控制電機(jī)連接上座上，鉗端左開合控制電機(jī)的輸出軸穿過鉗端左開合控制電機(jī)連接下座與鉗端左開合傳動(dòng)軸纏繞軸端部相連；鉗端左開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪固定在鉗端開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪固定座上；第一傳動(dòng)軸前端纏繞在鉗端左開合鉗上，第一傳動(dòng)軸后端依次穿過鉗端柔性內(nèi)管、鉗端剛性連接內(nèi)管后繞上鉗端左開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪后纏繞在鉗端左開合傳動(dòng)軸纏繞軸上；鉗端左開合控制電機(jī)通過鉗端左開合控制電機(jī)連接下座和鉗端左開合控制電機(jī)連接上座驅(qū)動(dòng)鉗端左開合傳動(dòng)軸纏繞軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將第一傳動(dòng)軸順時(shí)針纏繞在鉗端左開合傳動(dòng)軸纏繞軸上，通過拉動(dòng)第一傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)鉗端左開合鉗張開，反之為閉合。

7、進(jìn)一步的，所述鉗端右開合控制機(jī)構(gòu)包括：鉗端右開合控制電機(jī)、鉗端右開合控制電機(jī)連接下座、鉗端右開合控制電機(jī)連接上座、鉗端右開合傳動(dòng)軸纏繞軸、鉗端右開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪、第二傳動(dòng)軸和鉗端開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪固定座；鉗端右開合控制電機(jī)連接下座與鉗端右開合控制電機(jī)連接上座固定相連，鉗端右開合控制電機(jī)的輸出端固定在鉗端右開合控制電機(jī)連接下座上，鉗端右開合傳動(dòng)軸纏繞軸固定在鉗端右開合控制電機(jī)連接上座上，鉗端右開合控制電機(jī)的輸出軸穿過鉗端右開合控制電機(jī)連接下座與鉗端右開合傳動(dòng)軸纏繞軸端部相連；鉗端右開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪固定在鉗端開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪固定座上；第二傳動(dòng)軸前端纏繞在鉗端右開合鉗上，第二傳動(dòng)軸后端依次穿過鉗端柔性內(nèi)管、鉗端剛性連接內(nèi)管后繞上鉗端右開合傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪后纏繞在鉗端右開合傳動(dòng)軸纏繞軸上；鉗端右開合控制電機(jī)通過鉗端右開合控制電機(jī)連接下座和鉗端右開合控制電機(jī)連接上座驅(qū)動(dòng)鉗端右開合傳動(dòng)軸纏繞軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將第二傳動(dòng)軸順時(shí)針纏繞在鉗端右開合傳動(dòng)軸纏繞軸上，通過拉動(dòng)第二傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)鉗端右開合鉗張開，反之為閉合。

8、進(jìn)一步的，所述鉗端上偏擺控制機(jī)構(gòu)包括：鉗端上擺控制電機(jī)、鉗端上擺控制電機(jī)連接下座、鉗端上擺控制電機(jī)連接上座、鉗端上擺傳動(dòng)軸纏繞軸、鉗端上偏擺傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪和第三傳動(dòng)軸；鉗端上擺控制電機(jī)連接下座與鉗端上擺控制電機(jī)連接上座固定相連，鉗端上擺控制電機(jī)的輸出端固定在鉗端上擺控制電機(jī)連接下座上，鉗端上擺傳動(dòng)軸纏繞軸固定在鉗端上擺控制電機(jī)連接上座上，鉗端上擺控制電機(jī)的輸出軸穿過鉗端上擺控制電機(jī)連接下座與鉗端上擺傳動(dòng)軸纏繞軸端部相連；第三傳動(dòng)軸前端纏繞在鉗端上擺轉(zhuǎn)向滑輪上，第三傳動(dòng)軸后端依次穿過鉗端柔性內(nèi)管、鉗端剛性連接內(nèi)管后繞上鉗端上偏擺傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪后纏繞在鉗端上擺傳動(dòng)軸纏繞軸上；鉗端上擺控制電機(jī)通過鉗端上擺控制電機(jī)連接下座和鉗端上擺控制電機(jī)連接上座驅(qū)動(dòng)鉗端上擺傳動(dòng)軸纏繞軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將第三傳動(dòng)軸順時(shí)針纏繞在鉗端上擺傳動(dòng)軸纏繞軸上，通過拉動(dòng)第三傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)鉗端上偏擺。

9、進(jìn)一步的，所述鉗端下偏擺控制機(jī)構(gòu)包括：鉗端下擺控制電機(jī)、鉗端下擺控制電機(jī)連接下座、鉗端下擺控制電機(jī)連接上座、鉗端下擺傳動(dòng)軸纏繞軸、鉗端下偏擺傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪和第四傳動(dòng)軸；鉗端下擺控制電機(jī)連接下座與鉗端下擺控制電機(jī)連接上座固定相連，鉗端下擺控制電機(jī)的輸出端固定在鉗端下擺控制電機(jī)連接下座上，鉗端下擺傳動(dòng)軸纏繞軸固定在鉗端下擺控制電機(jī)連接上座上，鉗端下擺控制電機(jī)的輸出軸穿過鉗端下擺控制電機(jī)連接下座與鉗端下擺傳動(dòng)軸纏繞軸端部相連；第四傳動(dòng)軸前端纏繞在鉗端下擺轉(zhuǎn)向滑輪上，第四傳動(dòng)軸后端依次穿過鉗端柔性內(nèi)管、鉗端剛性連接內(nèi)管后繞上鉗端下偏擺傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)向滑輪后纏繞在鉗端下擺傳動(dòng)軸纏繞軸上；鉗端下擺控制電機(jī)通過鉗端下擺控制電機(jī)連接下座和鉗端下擺控制電機(jī)連接上座驅(qū)動(dòng)鉗端下擺傳動(dòng)軸纏繞軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將第四傳動(dòng)軸順時(shí)針纏繞在鉗端下擺傳動(dòng)軸纏繞軸上，通過拉動(dòng)第四傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)鉗端下偏擺。

10、進(jìn)一步的，所述鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)包括：鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)、鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接下座、鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接上座、鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)軸、鉗端360旋轉(zhuǎn)輸出端齒輪、鉗端360度旋轉(zhuǎn)輸入端齒輪和鉗端360度旋轉(zhuǎn)輸入端齒輪固定座；鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接下座與鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接上座固定相連，鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)的輸出端固定在鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接下座上，鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)軸固定在鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接上座上，鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)的輸出軸穿過鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接下座與鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)軸端部相連，鉗端360旋轉(zhuǎn)輸出端齒輪安裝在鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)軸上端；鉗端360度旋轉(zhuǎn)輸入端齒輪安裝于鉗端360度旋轉(zhuǎn)輸入端齒輪固定座中，鉗端360度旋轉(zhuǎn)輸入端齒輪安裝在鉗端剛性連接內(nèi)管上端，且鉗端360度旋轉(zhuǎn)輸入端齒輪與鉗端360旋轉(zhuǎn)輸出端齒輪兩者之間為嚙合關(guān)系；當(dāng)鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)通過鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接下座和鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接上座驅(qū)動(dòng)鉗端360度旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)軸以及鉗端360旋轉(zhuǎn)輸出端齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鉗端360旋轉(zhuǎn)輸出端齒輪與鉗端360旋轉(zhuǎn)輸出端齒輪之間的嚙合作用帶動(dòng)鉗端剛性連接內(nèi)管以及鉗端柔性內(nèi)管進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)。

11、進(jìn)一步的，所述鉗端柔性機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)還包括左電機(jī)倉按壓解鎖柱和右電機(jī)倉按壓解鎖柱，所述電機(jī)倉包括外殼一和外殼二，外殼一和外殼二之間通過左電機(jī)倉按壓解鎖柱與右電機(jī)倉按壓解鎖柱相連，所述外殼一前端上下兩側(cè)分別設(shè)置有卡槽；所述右電機(jī)倉按壓解鎖柱通過第一彈簧實(shí)現(xiàn)徑向方向彈性活動(dòng)范圍，當(dāng)?shù)谝粡椈商幱谠L時(shí)，右電機(jī)倉按壓解鎖柱上的第一卡勾在外殼一上端的卡槽中；當(dāng)按壓右電機(jī)倉按壓解鎖柱時(shí)，第一卡勾脫離外殼一上端的卡槽；所述左電機(jī)倉按壓解鎖柱通過第二彈簧實(shí)現(xiàn)徑向方向彈性活動(dòng)范圍，當(dāng)?shù)诙椈商幱谠L時(shí)，左電機(jī)倉按壓解鎖柱上的第二卡勾在外殼一下端的卡槽中；當(dāng)按壓左電機(jī)倉按壓解鎖柱時(shí)，第二卡勾脫離外殼一下端的卡槽；操作者用手抓住外殼一，另一只手抓住外殼二并同時(shí)按壓左電機(jī)倉按壓解鎖柱與右電機(jī)倉按壓解鎖柱，從而使第一卡勾和第二卡勾脫離外殼一上的卡槽并使外殼二向遠(yuǎn)離外殼一的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)解鎖過程。

12、本發(fā)明提供的一種用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的鉗端柔性手術(shù)器械的控制方法，包括以下步驟：

13、(1)鉗端柔性手術(shù)器械正運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法；

14、1)剛性段

15、采用改進(jìn)dh參數(shù)法對(duì)柔性手術(shù)器械剛性段的正運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行建模，柔性手術(shù)器械剛性段的改進(jìn)dh參數(shù)見下表，為探入關(guān)節(jié)的位移量，θ2為操縱桿的自轉(zhuǎn)角度，θ3為剛性桿的偏擺角度；

16、

17、

18、由改進(jìn)dh參數(shù)法得到柔性手術(shù)器械剛性段相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：

19、

20、

21、其中c和s分別為cosθi、sinθ的簡化形式。

22、2)柔性段

23、柔性手術(shù)器械的柔性段由七個(gè)柔性單元組成，每個(gè)柔性單元包含十字軸和剛性塊，十字軸為鉗端柔性十字偏擺銷，剛性塊為鉗端柔性連接座；柔性段末端的位姿與各剛性塊的運(yùn)動(dòng)都有關(guān)，先對(duì)單一方向的偏擺進(jìn)行分析：剛性塊上有4個(gè)小孔，分別穿過鋼絲繩l1、l2、l3和l4，鋼絲繩l1、l2、l3和l4分別對(duì)應(yīng)第一傳動(dòng)軸、第二傳動(dòng)軸、第三傳動(dòng)軸和第四傳動(dòng)軸，控制柔性段產(chǎn)生彎曲，選擇末端剛性塊和剛性塊i進(jìn)行分析：由于在預(yù)緊狀態(tài)下鋼絲繩可傳遞張力，故末端剛性塊受到鋼絲繩的拉力-f1、-f3和剛性塊i的力-fi-1的共同作用，對(duì)末端剛性塊進(jìn)行力平衡分析得到：φ和α均為力的作用線與末端剛性塊端面之間的夾角，由上式可得即故根據(jù)末端剛性塊的力平衡得到：fi＝f1+f3；根據(jù)剛性塊i的力平衡得到：

24、

25、其中β和ψ均為力與剛性塊i左端面之間的夾角，根據(jù)fi＝f1+f3以及公式(1)得到tanβ＝tanψ，即β＝ψ；

26、故根據(jù)fi＝f1+f3、公式(1)、β＝ψ得到：fi-1＝f1+f3；根據(jù)末端剛性塊對(duì)軸oi處的力矩平衡得到：

27、

28、其中t為鋼絲繩l1、l3與軸oi之間的距離，h為剛性塊的長度，l為相鄰兩個(gè)十字軸軸線之間的距離，為軸與相鄰剛性塊端面之間的距離；

29、根據(jù)剛性塊i對(duì)軸oi處的力矩平衡得到：

30、

31、根據(jù)β＝ψ、fi-1＝f1+f3、公式(2)、公式(3)得到：

32、

33、根據(jù)公式(2)和公式(4)得到tanα＝tanβ，即α＝β；

34、故根據(jù)β＝ψ、α＝β可知α、β、ψ四個(gè)角相等；

35、由此可知，柔性段中每個(gè)剛性塊端面與鋼絲繩之間的夾角保持一致，柔性段中每個(gè)剛性塊的偏轉(zhuǎn)角度也是等大的；同理考慮鋼絲繩l2、l4拉力作用下柔性段產(chǎn)生的偏擺，每個(gè)剛性塊的偏轉(zhuǎn)角度也是等大的，因此無論柔性段在任何方向發(fā)生偏擺，各剛性塊的偏擺角都是等大的；由于柔性段的每根鋼絲繩都可以單獨(dú)控制，所以只需要調(diào)整柔性段內(nèi)四根鋼絲繩的長度，就能使柔性段在各個(gè)方向上產(chǎn)生彎曲；

36、在距離各個(gè)十字軸中心點(diǎn)l/2處建立各柔性單元的坐標(biāo)系，設(shè)柔性段由n個(gè)柔性單元組成，通過柔性段中各柔性單元坐標(biāo)系位置的幾何關(guān)系采用投影法計(jì)算可得柔性段末端位置在自身基坐標(biāo)系下的齊次變換矩陣為：

37、

38、其中θ為兩相鄰柔性單元軸線間的夾角即兩相鄰柔性單元坐標(biāo)系中z軸間的夾角，φ為各柔性單元繞基坐標(biāo)系ro0-rx0ry0rz0中rz0軸的偏轉(zhuǎn)角；通過柔性段相鄰柔性單元坐標(biāo)系位置的幾何關(guān)系采用投影法計(jì)算可得相鄰柔性單元間的姿態(tài)變換矩陣為：

39、

40、3)末端執(zhí)行器

41、末端執(zhí)行器的末端位置在柔性段末端坐標(biāo)系下的齊次變換矩陣：

42、

43、其中g(shù)為柔性段末端到末端執(zhí)行器末端的長度，則柔性手術(shù)器械的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

44、

45、(2)鉗端柔性手術(shù)器械逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法；

46、采用數(shù)值解法進(jìn)行柔性手術(shù)器械逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，根據(jù)柔性手術(shù)器械的機(jī)械結(jié)構(gòu)及正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、單孔手術(shù)對(duì)柔性手術(shù)器械的需求取θ2、θ3、θ、的范圍分別為：

47、

48、-180°≤θ2≤180°

49、-30°≤θ3<0°

50、0°<θ≤15°

51、

52、將操縱桿的自轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、剛性桿的偏擺關(guān)節(jié)作為姿態(tài)調(diào)整關(guān)節(jié)，分別由主操作手的關(guān)節(jié)6、關(guān)節(jié)5直接控制，位置控制時(shí)將操縱桿的自轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、剛性桿的偏擺關(guān)節(jié)固定，故θ2、θ3為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中的已知參數(shù)；對(duì)公式(10)進(jìn)行變換得到：

53、

54、令公式(11)等號(hào)左右兩端分別為t左、t右，則：

55、

56、由公式(11)、公式(12)得到：

57、t左(1,4)＝t右(1,4)??(13)

58、t左(2,4)＝t右(2,4)??(14)

59、t左(3,4)＝t右(3,4)??(15)

60、由matlab計(jì)算得到公式(13)、公式(14)、公式(15)中各項(xiàng)分別為：

61、

62、將公式(16)各項(xiàng)簡化為：

63、

64、公式(17)中f1(θ)、f2(θ)、h1(θ2,θ3)、h2(θ2)、h3(θ2,θ3)分別為：

65、

66、由公式(13)、公式(15)、公式(17)得到：

67、

68、再由公式(14)、公式(17)、公式(19)得到：

69、f12(θ)＝(f2(θ)tθ3+h1(θ2，θ3)-h3(θ2，θ3)tθ3)2+h22(θ2)???(20)

70、公式(20)中僅含未知參數(shù)θ，令：

71、e(θ)＝f12(θ)-(f2(θ)tθ3+h1(θ2,θ3)-h3(θ2，θ3)tθ3)2-h22(θ2)???(21)

72、則由二分法求解得出滿足0°<θ≤15°的解θ；故由公式(14)和公式(17)得到：

73、

74、由公式(15)和公式(17)得到：

75、

76、至此θ2、θ3、θ、都已解出；

77、由于柔性手術(shù)器械通過鋼絲繩驅(qū)動(dòng)控制，因此需要通過改變鋼絲繩的長度來控制柔性手術(shù)器械末端的運(yùn)動(dòng)，故需得到柔性手術(shù)器械各關(guān)節(jié)變量與各部分繩長變化的關(guān)系：設(shè)操縱桿自轉(zhuǎn)單元的半徑為r1、控制操縱桿自轉(zhuǎn)的鋼絲繩l5、l6的長度變化為δl5、δl6，則有：δl5(δl6)＝±r1×θ2；

78、設(shè)控制剛性桿偏擺的鋼絲繩為l7和l8，不考慮柔性手術(shù)器械的重力以及鋼絲繩與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的摩擦力，認(rèn)為鋼絲繩在整個(gè)控制過程中張力不變、通繩孔的半徑與鋼絲繩半徑相等、鋼絲繩在操縱桿和剛性桿內(nèi)的部分長度不變，則鋼絲繩l7和l8的長度變化僅體現(xiàn)在從操縱桿通繩孔到剛性桿通繩孔過渡的這一段上；剛性桿未發(fā)生偏擺時(shí)鋼絲繩l7和l8在操縱桿通繩孔到剛性桿通繩之間的長度分別為g1?g2與g3?g4，g1o與g2o間的夾角為y，y為柔性手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)參數(shù)；剛性桿發(fā)生偏擺時(shí)鋼絲繩l7和l8在操縱桿通繩孔到剛性桿通繩之間的長度分別為g1’g2’與g3’g4’，g1’o’與g2’o間的夾角為y-θ3，g3’o’與g3’o間的夾角為y+θ3，θ3<0，θ3為剛性桿的偏擺角度，則有：

79、g1o＝g2o＝g3o＝g4o＝g1'o＝g2'o＝g3'o＝g4'o??(24)

80、令公式(24)中的各項(xiàng)等于m，m為柔性手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)參數(shù)，則有：

81、

82、設(shè)鋼絲繩l7和l8的長度變化為δl7、δl8，則有：

83、

84、柔性手術(shù)器械的柔性段是通過四根鋼絲繩l1、l2、l3和l4進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的，每根鋼絲繩一端固定在柔性段的末端，另一端固定在對(duì)應(yīng)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的線輪上，每根鋼絲繩獨(dú)立控制，由于鋼絲繩l1、l2、l3和l4在經(jīng)過操縱桿與剛性桿時(shí)從軸線通過，因此鋼絲繩l1、l2、l3和l4在操縱桿與剛性桿內(nèi)的部分長度不變，同時(shí)鋼絲繩l1、l2、l3和l4在各柔性單元內(nèi)部的部分長度不變，故鋼絲繩l1、l2、l3和l4的長度變化僅體現(xiàn)在相鄰柔性單元上下表面之間的部分，因?yàn)槿嵝远卧谌我夥较虬l(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，各柔性單元的偏擺角都是相等的，所以任意相鄰柔性單元上下表面之間鋼絲繩l1、l2、l3和l4的長度變化相同，相鄰柔性單元上下表面之間鋼絲繩的長度變化為：

85、

86、根據(jù)上述控制柔性手術(shù)器械各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的鋼絲繩長度變化、探入距離及柔性手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電子齒輪比，可計(jì)算得到柔性手術(shù)器械末端運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位姿t各電機(jī)所需要的脈沖值，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉗端左開合控制電機(jī)、鉗端右開合控制電機(jī)、鉗端上擺控制電機(jī)、鉗端360度旋轉(zhuǎn)控制電機(jī)、鉗端下擺控制電機(jī)的控制，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)鉗端柔性手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)控制。

87、本發(fā)明的有益效果是：

88、(1)柔性結(jié)構(gòu)：本發(fā)明剛性桿前端連接柔性彎曲結(jié)構(gòu)，使得本發(fā)明的位姿調(diào)整和末端鉗端柔性機(jī)構(gòu)的開合和旋轉(zhuǎn)操作都在患者體內(nèi)進(jìn)行，大大提高了柔性手術(shù)器械在患者體內(nèi)的工作范圍和靈活性

89、(2)模塊化設(shè)計(jì)：本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，以電機(jī)為動(dòng)力，通過多種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)多種功能，使整個(gè)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)模塊化。

90、(3)電機(jī)倉占用空間大幅度減?。罕景l(fā)明通過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電機(jī)的排布實(shí)現(xiàn)將柔性手術(shù)器械電機(jī)倉的小型化和緊湊化。

91、(4)多股傳動(dòng)軸傳動(dòng)防干涉：目前微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人所用的鉗端柔性手術(shù)器械實(shí)現(xiàn)鉗端偏擺開合運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)軸繞線方式復(fù)雜且運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)干涉，本發(fā)明通過對(duì)柔性手術(shù)器械傳動(dòng)功能進(jìn)行分區(qū)并針對(duì)轉(zhuǎn)向滑輪進(jìn)行梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸傳動(dòng)不干涉。

92、(5)鉗端柔性手術(shù)器械的控制方法：目前微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人控制手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)的方法種類繁多，本發(fā)明通過對(duì)正運(yùn)動(dòng)算法與反運(yùn)動(dòng)算法相互映射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人對(duì)柔性手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)的精確控制。